Com seus corpos alongados, imensa envergadura e coloração iridescente, as libélulas são uma visão única. Mas sua originalidade não termina com sua aparência: como uma das espécies de insetos mais antigas do planeta, eles são os primeiros inovadores do voo aéreo.

Agora, um grupo liderado por Jane Wang, professora de engenharia mecânica e física na Faculdade de Artes e Ciências, desvendou a física complexa e os controles neurais que permitem às libélulas se endireitarem enquanto caem.

A pesquisa revela uma cadeia de mecanismos que começa com os olhos da libélula – todos os cinco – e continua através de seus músculos e inclinação das asas.

O artigo da equipe, “Mecanismos de recuperação no reflexo de endireitamento da libélula”, publicado em 12 de maio na Science. Wang foi co-autor do artigo com James Melfi, Ph.D. ’15, e Anthony Leonardo do Howard Hughes Medical Institute (HHMI) em Ashburn, Virgínia.

Por duas décadas, Wang vem usando modelagem matemática complexa para entender a mecânica do voo dos insetos. Para Wang, a física é tão importante quanto a genética para explicar a evolução dos organismos vivos.

“Os insetos são as espécies mais abundantes e foram os primeiros a descobrir o vôo aéreo. E as libélulas são alguns dos insetos mais antigos”, disse Wang. “Tentar ver como eles se endireitam no ar nos daria uma visão sobre a origem do voo e como os animais desenvolveram neurocircuitos para se equilibrar no ar e navegar pelo espaço”.

O projeto começou há vários anos, quando Wang era uma cientista visitante no Janelia Research Campus do HHMI, onde seu colaborador Leonardo rastreava libélulas em 3D em uma grande arena. Wang foi inspirado a examiná-los mais de perto.

“Quando analisamos o comportamento de voo deles, ficamos simultaneamente maravilhados e frustrados”, disse ela. “As trajetórias são complexas e imprevisíveis. As libélulas fazem manobras constantemente, sem seguir nenhuma direção óbvia. É misterioso.”

Para estudar essas dinâmicas de voo e os algoritmos internos que as governam, Wang e Melfi projetaram um experimento de comportamento controlado no qual uma libélula seria lançada de cabeça para baixo de uma corda magnética – uma premissa não muito diferente dos famosos experimentos de queda de gatos do século XIX que mostrou como certos “reflexos programados” resultaram nos felinos pousando em pé.

Wang e Melfi descobriram que, ao soltar uma libélula com cuidado, sem contato com as pernas, as manobras confusas do inseto na verdade seguiam o mesmo padrão de movimento, que os pesquisadores conseguiram capturar com três câmeras de vídeo de alta velocidade filmando a 4.000 quadros por segundo. Marcadores foram colocados nas asas e no corpo da libélula, e os movimentos foram reconstruídos por meio de um software de rastreamento 3D.

Então veio a parte mais desafiadora: tentar entender os movimentos. Os pesquisadores tiveram que considerar vários fatores – desde a aerodinâmica instável das interações das asas e do ar até a maneira como o corpo de uma libélula responde ao bater de suas asas. Há também aquela força perspicaz com a qual todos os seres terrestres devem eventualmente enfrentar: a gravidade.

Wang e Melfi conseguiram criar um modelo computacional que simulou com sucesso as acrobacias da libélula. Mas uma questão-chave permaneceu: como as libélulas sabem que estão caindo, para que possam corrigir sua trajetória?

Wang percebeu que, ao contrário dos humanos que têm um sentido inercial, as libélulas podem confiar em seus dois sistemas visuais – um par de grandes olhos compostos e três olhos simples chamados ocelos – para avaliar sua verticalidade.

Ela testou sua teoria bloqueando os olhos de uma libélula com tinta e repetindo o experimento. Desta vez, a libélula teve muito mais dificuldade em se recuperar no meio do voo.

“Esses experimentos sugerem que a visão é o primeiro e dominante caminho para iniciar o reflexo de endireitamento da libélula”, disse Wang.

Essa dica visual desencadeia uma série de reflexos que enviam sinais neurais para as quatro asas da libélula, que são acionadas por um conjunto de músculos diretos que modulam a assimetria de tom da asa esquerda e direita de acordo. Com três ou quatro golpes de asa, uma libélula pode rolar 180 graus e voltar a voar com o lado direito para cima. Todo o processo leva cerca de 200 milissegundos.

“O difícil foi descobrir a estratégia de controle chave a partir dos dados experimentais”, disse Wang. “Levamos muito tempo para entender o mecanismo pelo qual uma pequena quantidade de assimetria de tom pode levar à rotação observada. A assimetria chave está escondida entre muitas outras mudanças.”

A combinação de análise cinemática, modelagem física e simulações de voo em 3D agora oferece aos pesquisadores uma maneira não invasiva de inferir as conexões cruciais entre os comportamentos observados de um animal e os procedimentos internos que os controlam. Esses insights também podem ser usados ​​por engenheiros que buscam melhorar o desempenho de pequenas máquinas voadoras e robôs.

“O controle de voo na escala de tempo de dezenas ou centenas de milissegundos é difícil de projetar”, disse Wang. “Pequenas máquinas batedoras agora podem decolar e girar, mas ainda têm problemas para permanecer no ar. Quando elas se inclinam, é difícil corrigir. Uma das coisas que os animais precisam fazer é resolver precisamente esses tipos de problemas.”

A pesquisa foi apoiada pelo Programa de Cientistas Visitantes do Janelia Research Campus e pela Simons Fellowship in Mathematics.

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